基于分析的内燃机排气余热ORC混合工质性能分析

舒歌群，高媛媛，田 华

舒歌群，高媛媛，田 华

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

使用非共沸混合工质可以降低ORC系统的不可逆损失．为此，建立了内燃机排气余热ORC模型，分析了不同组分非共沸混合工质toluene/R141b在不同蒸发温度和冷凝温度下的热效率、效率和损失．分析结果表明：混合工质的效率均低于纯工质；纯toluene的热效率和效率最高．使用混合工质，一方面可以拓宽工质选择范围；另一方面，由于温度滑移，混合工质可以更好地与热源匹配，减小不可逆损失．

有机朗肯循环；混合工质；分析

发动机运行时，排气带走了约35%的燃烧热量[1]，而且其能量品位高，如何选择适当的余热利用方式来有效利用这部分热量，成为节能领域研究的重要课题．

目前采用有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)装置回收内燃机余热成为研究热点[2]．相比纯工质的等温蒸发和冷凝相变过程，非共沸混合工质在蒸发和冷凝相变时存在着一定程度的温度滑移，使得蒸发出口温度更高，冷凝出口温度更低，进而与冷热源间有更好的热匹配，减小传热温差，降低可用能的损耗，减小系统不可逆损失[3]．但是国内外对于混合工质在内燃机余热利用方面的研究还很少，主要集中在地热、太阳能等领域．Chen等[4]以非共沸混合物0.7R134a/0.3R32作为超临界朗肯循环的工质，以R134a作为亚临界朗肯循环的工质，在相同热源温度下进行对比试验，发现前者的热效率达到38.57%，而后者为24.10%．Li等[5]对比了R141b/RC318和3种纯工质，发现使用混合工质其选择范围更广；系统添加回热器后，混合工质热效率增幅更大．Angelino等[6]根据PR状态方程分析计算了混合工质的热力性质，并用计算机编码进行循环分析和优化．王怀信等[7]对比研究了混合工质MB85和纯工质R245fa的性质，在相同的工况范围内，前者的制热量和性能系数均高于R245fa，其综合性能优越．舒丹等[8]采用混合工质的低温朗肯循环发电来回收天然气节流后的冷能．赵力等[9]研究了非共沸混合工质在太阳能低温朗肯循环中的应用．

本文利用Matlab软件建立了内燃机-ORC联合热力循环系统的理论模型，计算分析了不同比例混合工质toluene/R141b的亚临界饱和循环热效率、效率和损失．

1 系统介绍

1.1 亚临界饱和循环系统

图1是建立的内燃机排气余热ORC系统模型和T-s图. 其中内燃机的排气作为蒸发器热源，来自蒸发器的高温高压的混合工质在膨胀机中绝热膨胀，同时带动发电机发电(绝热膨胀过程1—2)．膨胀之后的低温低压乏汽在冷凝器中冷却成过冷液体，同时将热量排到冷却水中(定压冷却过程2—3)，然后液态工质在增压泵中加压到蒸发压力下的过冷液态点4(等熵压缩过程3—4)，最后工质回到蒸发器中完成一个循环，从而实现了对余热能的回收及利用．

图1 内燃机排气余热ORC系统模型和T-s图Fig.1 Model of engine waste heat ORC system and temperature-entropy diagrams

1.2 工质选择

如图1所示，混合工质在相变时存在温度滑移，可以减小传热温差，更好地实现换热设备中冷、热流体间温度的匹配，减少由温差引起的不可逆熵增，降低工质传热中可用能的损耗．相变过程的温度滑移量越大，冷热流体温度梯度越匹配，换热性能越好.

根据工质筛选标准[10-13]，设定最高分解温度下限为500,K，热效率下限为15%，毒性标准为低毒，同时考虑到工质在308,K时的冷凝压力不能过低，符合条件的工质有hexane、heptane、isohexane、cyclohexane、toluene、R113和R141b这7种工质．将它们两两混合，质量成分固定为0.5∶0.5，压力定在2,MPa．经计算，toluene和R141b混合后，温度滑移量最大，对此进行循环分析研究．工质的物性由REFPROP 8.0[14]计算得到，表1给出了不同比例混合工质(pro=toluene/R141b)的物性参数．

表1 toluene/R141b物性参数Tab.1 Property parameters of toluene/R141b

2 模型建立

如图2所示，实线表示理想的有机朗肯循环，虚线代表考虑到泵和膨胀机不可逆损失的朗肯循环．热力过程的分析和能量关系如下所述．

图2 有机朗肯循环T-s图Fig.2 Temperature-entropy diagrams of ORC

(1)膨胀机．图2中1—2为工质在膨胀机中的绝热膨胀过程，实际膨胀通常是不可逆熵增过程，如图中2act所示，其效率为

膨胀机对外做功为

膨胀机火用损失可以表示为

式中：fm˙为所选工质的质量流量，kg/s；h1为工质在膨胀机进口处的比焓，kJ/kg；h2act为工质在膨胀机出口处的实际比焓，kJ/kg；h2为工质在膨胀机出口处的理论比焓，kJ/kg；s1为工质在膨胀机进口处的比熵，kJ/(kg·K)；s2act为工质在膨胀机出口处的比熵，kJ/(kg·K)；T0为环境温度．

(2)冷凝器．工质经冷却将自身潜热量释放到冷却水或者环境当中，工质放热量为

式中h3为工质在冷凝器出口处的比焓，kJ/kg．

采用纯工质时(如图2(a)所示)，冷却水进出口温差变化不大，可以忽略其变化，冷凝器损失可以表示为

式中：s3为工质在冷凝器出口处的比熵，kJ/(kg·K)．

但是采用混合工质时(如图2(b)所示)，由于温度滑移量较大，冷却水出口温度较高，具有一定的做功能力，不能忽略其变化．工质变化可以表示为

式中：wm˙为冷却水的质量流量，kg/s；hw1为冷却水在冷凝器进口处比焓，kJ/kg；hw2为冷却水在冷凝器出口处的比焓，kJ/kg；sw1为冷却水在冷凝器进口处的比熵，kJ/(kg·K)；sw2为冷却水在冷凝器出口处的比熵，kJ/(kg·K)．

(3) 增压泵．

设泵的效率为

泵的耗功为

式中：h4act为工质在增压泵出口处的实际比焓，kJ/kg；h4为工质在增压泵出口处的理论比焓，kJ/kg；s4act为工质在增压泵出口处的比熵，kJ/(kg·K)．

(4) 蒸发器．

高压的有机工质液体在蒸发器中被加热成蒸汽进入膨胀机做功．工质吸热量为

式中：em˙为废气的质量流量，kg/s；h5为柴油机排气在蒸发器进口处的比焓，kJ/kg；h6为排气在蒸发器出口处的比焓，kJ/kg；s5为排气在蒸发器进口处的比熵，kJ/(kg·K)；s6为排气在蒸发器出口处的实际比熵，kJ/(kg·K)．

循环热效率为

3 结果与分析

发动机原型采用柴油发电机组，其部分测试参数如表2所示．据此，研究了变蒸发温度和冷凝温度下ORC系统的性能变化．

表2 某柴油发电机组测试参数Tab.2 Test parameters of a diesel generator set

对于纯工质，如图3(a)所示，其蒸发和冷凝均为等温过程，冷凝温度为TL，蒸发温度为TH．而混合工质的蒸发和冷凝是变温过程，为了和纯工质进行对比，取冷凝器出口温度为冷凝温度TL，蒸发器饱和液点温度为蒸发温度TH．

计算时，做如下假设：

(1) 换热器内的蒸发和冷凝过程均认为是等压过程；

(2) 取膨胀机的绝热效率为0.7，增压泵的效率为0.8；

(3) 混合工质成分在循环的任一中间过程均不发生变化；

(4) 混合工质相变过程的温度滑移是线性的．

图3 纯工质和混合工质T-s图Fig.3 Temperature-entropy diagrams for pure fluid andthe mixture

3.1 蒸发温度的影响

在该循环计算中，设冷凝温度为308,K．

图4为不同蒸发温度下系统热效率的变化，各工质的热效率均随蒸发温度增加而迅速升高．混合工质热效率普遍低于纯工质．以450,K为例，随着混合工质中toluene质量成分增加，循环热效率先逐渐降低后增加，pro=0.6/0.4的混合工质热效率最低为14.06%，而纯工质toluene热效率最高达到17.47%．在蒸发温度为520,K时，toluene热效率高达20.59%．R141b由于临界温度较低，所以蒸发温度选择范围较窄，而使用混合工质可以改善这一缺点，拓宽工质选择范围．在蒸发温度为420,K时，各工质的热效率都较低，因此对有机朗肯循环采用低蒸发温度是不合理的．

图4 热效率随蒸发温度的变化Fig.4 Variation of thermal efficiency withevaporation temperature

图5 效率随蒸发温度的变化Fig.5 Variation of exergy efficiency with evaporation temperature

图6 总损失随蒸发温度的变化Fig.6 Variation of total exergy loss with evaporation temperature

3.2 冷凝温度的影响

设定蒸发温度为450,K，研究冷凝温度对循环性能的影响．

图7为热效率随冷凝温度的变化曲线．各工质的热效率均随冷凝温度的升高而下降，纯工质下降幅度更大一些．混合工质热效率均低于纯工质，toluene的热效率最高，R141b次之．冷凝温度上升，一方面使得泵出口焓值增加，另一方面，膨胀机出口焓值也增加且后者增加更多，所以循环净功减小，热效率降低．

图7 热效率随冷凝温度的变化Fig.7 Variation of thermal efficiency with condensation temperature

图8 效率随冷凝温度的变化Fig.8 Variation of exergy efficiency with condensation temperature

图9 总损失随冷凝温度的变化Fig.9 Variation of total exergy loss with condensation temperature

4 结 论

［1］ 赵智博. 内燃机废气余热利用有机朗肯循环工质的研究[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2011.

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(责任编辑：金顺爱)

Performance Analysis of Mixtures Used in ORC for Engine Exhaust Gas Waste Heat Recovery Based on Exergy Analysis

Shu Gequn，Gao Yuanyuan，Tian Hua
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The use of zeotropic mixtures can reduce exergy loss. This paper presents a theoretical analysis of the combined ICE-ORC waste heat recovery system using zeotropic mixtures. Toluene，R141b and their different mass fractions were chosen. Thermal efficiency，exergy efficiency and exergy loss of mixtures were calculated at different evaporation temperatures and condensation temperatures. The results show that the efficiencies of the mixtures are all lower than that of pure fluids. Toluene shows the highest thermal efficiency and exergy efficiency. Utilizing zeotropic mixtures can extend the range of choices for working fluids. Besides，because of temperature glide，heat transfer process can be a good match for zeotropic mixtures，thus reducing exergy loss.

organic Rankine cycle(ORC)；mixtures；exergy analysis

TK421

A

0493-2137(2014)03-0218-06

10.11784/tdxbz201301036

2013-01-10；

2013-04-15.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB707201)；国家自然科学基金资助项目(51206117)．

舒歌群（1964— ），男，教授.

舒歌群，sgq@tju.edu.cn.